CN107301781A - 一种路面自供能的交通监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种路面自供能的交通监控装置，包括压电俘能单元、整流供能电路单元、信号转换单元及信息显示单元，本发明还提供一种路面自供能的交通监控方法，该方法应用上述的交通监控装置，本发明利用压电材料的力电响应特性，将俘能器件埋设在道路面层内，收集交通荷载作用下产生的电能，供给道路沿线附属的用电设备；并能通过电信号反演出交通信息，达到交通监控的目的。本发明在不影响路用性能和正常通行的前提下，充分利用道路上废弃能量，产生绿色可再生电能，实现了自给自足、绿色环保的智慧交通新方案；同时大幅减免了监控设备、输电设备等建设、运营费用。

Description

一种路面自供能的交通监控装置及方法

技术领域

本发明涉及道路俘能监控和信号指示。

背景技术

随着路网建设，我国公路里程数持续激增，目前已达457.7万公里，为国家经济建设提供了重要支撑。但是与此同时，公路运营期间各类照明、交通监控以及信号指示设备时刻都会产生巨大的能耗。另一方面，由于各类监控设备价格较高，而公路里程数大，所以各类监控设备分布疏散，难以有效监控全路段交通信息的要求，妨碍了交通管理部门及时有效的管理。再者，由于很多路段远离城镇、人烟稀少，各类用电设备难以就近接入电网，需要额外修建输电设备，成本巨大，所以不少偏远地区干脆没有任何照明监控设备。因此在隧道、山路等类似的交通环境下行车，无疑是非常危险的，而且一旦发生交通事故，管理部门难以及时指挥沿途车辆，极易造成拥堵和二次事故。

压电材料恰好能够根据自身材料特点解决这些问题。基于其力电响应特性，可以有效将交通荷载作用下的路面变性能转化为电能，供给周边用电设备；同时又具有绿色环保，重复再生，不受环境条件限制等优点。另一方面，压电材料非常敏感，可以针对外力作用瞬时响应电信号，并利用电信号测算荷载信息。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是提供一种路面自供能的交通监控装置，该装置将压电俘能器件和交通监控显示采用一体化设计，能够利用车辆荷载作用传输收集到电信号，并为道路沿线附属用电设备，比如信号显示屏等供能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种路面自供能的交通监控装置，包括压电俘能单元、整流供能电路单元、信号转换单元及信息显示单元，压电俘能单元包括压电俘能器件和压电俘能器件的保护装置，整流供能电路单元包括电能输出端、电能输入端以及整流器件，电能输入端接受压电俘能器件所产生的电信号，通过整流器件的整流，由电能输出端输出至信号传输及信息显示单元，信号转换单元包括信号收集分析设备和传感器，信息显示单元包括摄像头和信号显示屏，信号收集分析设备基于压电俘能单元所产生的电信号反演出包括车重、车速和车流量在内的路面交通信息，信息显示单元能够显示信号收集分析设备所分析出的交通信息，无线传感器将信号收集分析设备所产生的交通信息发送至外部终端。

在采用上述技术方案的同时，本发明可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：压电俘能器件埋设于道路面层的上面层和下面层之间。

压电俘能器件的保护装置包括外部封装层和内部保护层，外部封装层为高强度的压塑性聚合物复合材料蹭，内部保护层为PVC薄板，PVC薄板周围嵌套防腐防水的PVC保护层。

交通监控装置还包括储能器，储能器连接至整流供能电路并存储富余的电能。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种路面自供能的交通监控方法，该方法上述的交通监控装置，并包括以下步骤：

（1）压电俘能单元感受路面荷载并输出交流电压；

（2）整流供能电路将压电俘能单元所产生的交流电压转化为直流电，并分别输送至储能器和信号转换单元；

（3）信号转换单元根据直流电信号反演出包括车重、车速和车流量在内的路面交通信息，并发送至信号显示设备和外部终端；

（4）信号显示设备接受信号转换单元的反演信息进行显示。

在步骤（2）中，整流供能电路优先为信号转换单元供电，富余电能传输至储能器进行存储。

在采用上述技术方案的同时，本发明可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

信号转换单元的反演过程是：

（1）用电压幅值 表征施加的荷载值，电压幅值和荷载以及俘能器件16埋深有关，对于固定的埋深，荷载越大，电压幅值越大，利用给定的一组荷载对电压平均幅值进行标定，就可得到关于的表达式，即，

（2）以斜率表征荷载移动速度，车轮荷载移动速度越快，加卸载过程也就越快，斜率就越大，利用给定的一组速度对斜率进行标定，就可以得到关于的表达式，即，

（3）以衰减期表征相邻荷载的间距，为自然数，通过分析的比值来确定车辆类型及通过该位置的车流量，以单个压电俘能器件为例，上一个荷载刚离开压电俘能器件到下一个荷载刚到达压电俘能器件的时间间隔为，该下一个荷载刚离开压电俘能器件到再下一个荷载刚到达压电俘能器件的时间间隔为，对于同一辆车来说，无论该时段车速快慢，的比值总是保持在一定的范围内，而对于不同的车来说，同一辆车的前后相邻车轮通过压电俘能器件的时间间隔必然远小于前一辆车的后轮到后一辆车的前轮到达压电俘能器件所在位置的时间间隔，从而判断该车的车轴数和轴距，并能结合单位时间内通过该路段的车辆所产生的衰减期的数量来确定通过该位置的车流量，

（4）针对同一辆车的同一车轮荷载，分析沿行车方向一列压电俘能器件的输出信号，确定对应的最大荷载，针对不同车辆，如果在该位置出现最大荷载的频率很高，则判定该处存在路面不平顺，立即向管理终端发送信息；若没有，则判定荷载是即为实际的车轮荷载，

（5）根据车辆类型、车轴距、车轴数以及分别对应的荷载和速度，即可得到该车辆实际的车重和车速，从而判断车辆的超速和超载情况，

（6）若某一路段内其中部分区域的压电俘能器件长时间没有信号输出，而其余压电俘能器件有信号输出，即可判定该没有信号输出的区域存在突发状况，没有任何车辆经过。

其中，荷载值为一定重量的车辆向压电俘能器件作用的荷载，不同的荷载对应不同的车重，根据荷载值可以直接判断车重。

间距为两排车轮先后通过同一压电俘能器件的间距，即两排车轮间的间距，通过间距过间可直接判断车辆轴距。

车间距根据前一辆车的后排车轮与后一辆车的前排车轮通过同一压电俘能器件的时间及车辆速度确定。

本发明的有益效果是：本发明利用压电材料的力电响应特性，将俘能器件埋设在道路面层内，收集交通荷载作用下产生的电能，供给道路沿线附属的用电设备；并能通过电信号反演出交通信息，达到交通监控的目的。本发明在不影响路用性能和正常通行的前提下，充分利用道路上废弃能量，产生绿色可再生电能，实现了自给自足、绿色环保的智慧交通新方案；同时大幅减免了监控设备、输电设备等建设、运营费用。本发明适用于各类道路，尤其是人口密集、交通流量较大的道路。

附图说明

图1为双轴汽车通过压电俘能器件输出信号示意图。

图2为交通监控和信号显示一体化装置立体示意图。

图3为交通监控和信号显示一体化装置平面示意图。

图4为交通监控和信号显示一体化装置结构示意图。

图5为压电俘能器件结构的俯视图。

图6为压电俘能器件结构的正视图。

图7为整流电路示意图。

具体实施方式

实施例1，参照附图1-7。

一种路面自供能的交通监控装置，该装置主要包括压电俘能单元、整流供能电路单元、信号转换单元和信息显示单元，压电俘能单元包括多个压电俘能器件16，整流供能电路单元包括电能输出端14、电能输入端13以及整流器件二极管15，压电俘能器件16买入道路表面，如图4所示，压电俘能器件16可以分别埋入道路的上面层和下面层，并与整流供能电路的输入端13相连，将产生的交流电经整流器件二极管15转化为直流电，整流供能电路的通过输出端14一方面将直流电供给附近的低功率LED信息显示屏5和无线传感器6，并将多余电能存储于储能器3；另一方面，将压电俘能器件传送出的电信号传输给信号转换单元中的信号收集分析设备1，根据实施例2的方法分析得到关于车重、车速、车流量等交通信息，然后实时通过摄像头4拍摄并在屏幕5上显示相应的信息，同时通过无线传感器6传输给系统终端的交通管理部门。

压电俘能单元还包括压电俘能器件的保护装置，压电俘能器件16为长方体，尺寸为30cm×30cm×6cm；内部采用双层圆柱形压电陶瓷材料，单个压电柱11的尺寸为Φ2cm×1cm。

压电俘能器件16带有凹槽结构的外层保护壳12采用高强度的压塑性聚合物复合材料材料，其中，外层保护壳12内侧凹槽处贴有导电铜极板7，其与压电柱上下表面紧密接触；内部保护层6采用PVC薄板材料，防腐防水PVC层8，嵌套在内部保护层周围。

压电俘能器件通过螺丝9将各层结构组装成一体，并通过预留的导线10将产生的电能输出。

每个压电俘能器件与周边相邻的器件间隔30cm，与车道两侧边缘相差40cm。

当车辆经过俘能器件16上方时，由于荷载作用，使其输出交流电。一方面通过整流电路2将交流电转化为直流电，为摄像头4、LED显示屏5、无线传感器6供能，并存储多余电能于储能器3；另一方面根据本发明设计的算法，通过电信号收集分析设备1分析交流电压信号，得到相应的交通信息，利用无线传感器6发送给系统终端的管理部门，同时在道路周边的LED显示屏5上显示出相应信息。

实施例2，一种路面自供能的交通监控方法。

以单个压电俘能器件16在交通荷载作用下的输出电压信号（图1）为例，基于电信号反演交通信息的方法是：

（1）以电压幅值表征施加的荷载值。电压幅值和荷载以及俘能器件16埋深有关，对于固定的埋深，荷载越大，电压幅值越大。因此，利用给定的一组荷载对电压平均幅值进行标定，就可得到关于的表达式，即。根据可以得知车重。

（2）斜率表征荷载移动速度。车轮荷载移动速度越快，加卸载过程也就越快，斜率就越大。利用给定的一组速度对斜率进行标定，就可以得到关于的表达式，即可。假设前一辆车的移动速度为，后一辆车的速度为。

（3）以衰减期表征相邻荷载的间距，为自然数。本实施例中以4个衰减期为例，即以连续的上一个荷载刚离开压电俘能器件16的时间至下一个荷载刚到达的时间间隔-为例，因为车间距在一般情况下远大于汽车的车轴距，所以同一辆车前后车轮通过器件16的时间总是远小于前一辆车的后车轮通过压电俘能器件至后一辆车的前车轮到达压电俘能器件的时间间隔，因此通过比较衰减期之间的比值，，即可确定这些荷载是否属于同一辆车，无论该时段车速快慢，的比值总是保持在一定的范围内，可以根据该比值判断是否属于同一辆车。例如，若，时，则表明衰减期是第一辆车的后车轮离开器件到第二辆车的前车轮到达器件的时间间隔，是第二辆车的后车轮离开器件到第三辆车的前车轮到达器件的时间间隔，则是第二辆车的前后车轮通过器件的时间间隔；综上，即可判断第二辆车为双轴汽车。若，，时，则表明衰减期是第一辆车的后车轮离开器件到第二辆车的前车轮到达器件的时间间隔，是第二辆车的后车轮离开器件到第三辆车的前车轮到达器件的时间间隔，和则分别是第二辆车的前车轮和中车轮、中车轮和后车轮通过器件的时间间隔；综上，即可判断第二辆车为三轴汽车。

结合（2）中得到的速度和时间相乘，可得到相应的距离。结合上文的分析，即可判断出该距离是汽车的车轴距，还是车间距。根据车轴距和车轴数，即可确定通过该位置的车辆类型。

此外，根据上述判断，还能确定通过该位置的车流量，以上是以4个衰减期为例，在实际应用中，一段时间内产生的衰减期为若干个，如上所述，例如，在1分钟内，产生了N个衰减期，根据上述判断，除了头尾两辆车之外，可以判出中间的其他若干个车辆的车轴数，并相应判断出该时间段内通过该路段的车辆数，从而得到车流量。

针对同一辆车的同一车轮荷载，分析沿行车方向一列器件16的输出信号，确定对应的最大荷载。针对不同车辆，如果在该位置出现最大荷载的频率很高，则判定该处存在路面不平顺，立即向管理终端发送信息；若没有，则判定荷载是即为实际的车轮荷载。

整合路段内所有器件16的输出信号，校准单一器件的分析结果，对照实际交通情况，即可标定关于车重、车速、车流量、车间距乃至车辆类型等相关交通信息。

根据车辆类型、车轴距、车轴数以及分别对应的荷载和速度，即可得到该车辆实际的车重和车速。针对判定为车辆超重、超速等情况，则立刻拍下车牌号，并在Led屏上5显示车牌和违规内容。

若某一路段内其余器件16有信号输出，而其中部分区域长时间没有信号的情况，即可判定该区域存在突发状况，没有任何车辆经过。

针对其他多轴汽车，也可以按照上述方法判定。

Claims (10)

1.一种路面自供能的交通监控装置，其特征在于，包括压电俘能单元、整流供能电路单元、信号转换单元及信息显示单元，压电俘能单元包括压电俘能器件和压电俘能器件的保护装置，整流供能电路单元包括电能输出端、电能输入端以及整流器件，电能输入端接受压电俘能器件所产生的电信号，通过整流器件的整流，由电能输出端输出至信号传输及信息显示单元，信号转换单元包括信号收集分析设备和传感器，信息显示单元包括摄像头和信号显示屏，信号收集分析设备基于压电俘能单元所产生的电信号反演出包括车重、车速和车流量在内的路面交通信息，信息显示单元能够显示信号收集分析设备所分析出的交通信息，无线传感器将信号收集分析设备所产生的交通信息发送至外部终端。

2.根据权利要求1所述的一种路面自供能的交通监控装置，其特征在于，压电俘能器件埋设于道路面层的上面层和下面层之间。

3.根据权利要求1所述的一种路面自供能的交通监控装置，其特征在于，压电俘能器件的保护装置包括外部封装层和内部保护层，外部封装层为高强度的压塑性聚合物复合材料蹭，内部保护层为PVC薄板，PVC薄板周围嵌套防腐防水的PVC保护层。

4.根据权利要求1所述的一种路面自供能的交通监控装置，其特征在于，该交通监控装置还包括储能器，储能器连接至整流供能电路并存储富余的电能。

5.一种路面自供能的交通监控方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-4中任一项所述的交通监控装置，并包括以下步骤：

（1）压电俘能单元感受路面荷载并输出交流电压；

（2）整流供能电路将压电俘能单元所产生的交流电压转化为直流电，并分别输送至储能器和信号转换单元；

（3）信号转换单元根据直流电信号反演出包括车重、车速和车流量在内的路面交通信息，并发送至信号显示设备和外部终端；

（4）信号显示设备接受信号转换单元的反演信息进行显示。

6.根据权利要求5所述的一种路面自供能的交通监控方法，其特征在于，在步骤（2）中，整流供能电路优先为信号转换单元供电，富余电能传输至储能器进行存储。

7.根据权利要求5所述的一种路面自供能的交通监控方法，其特征在于，信号转换单元的反演过程是：

（1）用电压幅值表征施加的荷载值，电压幅值和荷载以及俘能器件16埋深有关，对于固定的埋深，荷载越大，电压幅值越大，利用给定的一组荷载对电压平均幅值进行标定，就可得到关于的表达式，即，

（2）以斜率表征荷载移动速度，车轮荷载移动速度越快，加卸载过程也就越快，斜率就越大，利用给定的一组速度对斜率进行标定，就可以得到关于的表达式，即，

（3）以衰减期表征相邻荷载的间距，为自然数，通过分析的比值来确定车辆类型及通过该位置的车流量，

（4）针对同一辆车的同一车轮荷载，分析沿行车方向一系列压电俘能器件的输出信号，确定对应的最大荷载，针对不同车辆，如果在该位置出现最大荷载的频率很高，则判定该处存在路面不平顺，立即向管理终端发送信息；若没有，则判定荷载即为实际的车轮荷载，

（5）根据车辆类型、车轴距、车轴数以及分别对应的荷载和速度，即可得到该车辆实际的车重和车速，从而判断车辆的超速和超载情况，

（6）若某一路段内其中部分区域的压电俘能器件长时间没有信号输出，而其余压电俘能器件有信号输出，即可判定该没有信号输出的区域存在突发状况，没有任何车辆经过。

8.根据权利要求7所述的一种路面自供能的交通监控方法，其特征在于，荷载值为一定重量的车辆向压电俘能器件作用的荷载，不同的荷载对应不同的车重，根据荷载值可以直接判断车重。

9.根据权利要求7所述的一种路面自供能的交通监控方法，其特征在于，间距为两排车轮先后通过同一压电俘能器件的间距，即两排车轮间的间距，通过间距可直接判断车辆轴距。

10.根据权利要求7所述的一种路面自供能的交通监控方法，其特征在于，车间距根据前一辆车的后排车轮与后一辆车的前排车轮通过同一压电俘能器件的时间及车辆速度确定。